JP3699004B2 - 耐摩耗皮膜被覆工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、高硬度鋼の高速切削加工に使用される硬質皮膜被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属加工の高能率化を目的とした調質鋼の直切削においては、特開昭６２−５６５６５号公報、特開平２−１９４１５９号公報に代表されるＴｉＡｌＮ皮膜が開発され切削工具に適用されている。ＴｉＡｌＮ皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮに比べ耐酸化性が優れるため、刃先が高温に達する調質鋼の切削においては、切削工具の性能を著しく向上させるものである。
【０００３】
しかしながら、近年では更なる加工の高能率、高精度化の要求を満たす為、切削速度の高速化に加え、環境問題及び加工コスト低減の観点から乾式での切削加工が重要視されている。こうような切削環境下においては、切削工具表面に被覆される耐摩耗皮膜と切削される材料（以下、被削材と称す）との溶着現象が切削性能に大きな影響を及ぼすとともに、切削温度がより高温になりＴｉＡｌＮ系皮膜でも耐酸化が十分ではない状況にある。すなわち、従来までの前記ＴｉＮ、ＴｉＣＮおよびＴｉＡｌＮ皮膜はこのような苛酷な切削環境下においては、被削材との溶着現象等に起因した摩擦抵抗の増加及び酸化の進行により、十分な切削性能を得られなく、また酸化による摩耗進行を十分に抑制できていなくなったのが現状である。
【０００４】
このような問題を解決する為に、耐溶着性を改善する観点より特表平１１−５０２７７５号公報に示される二硫化モリブデンや、特開平７−１６４２１１号公報に示される炭化タングステンおよびダイヤモンドライクカーボンからなる潤滑性皮膜を硬質皮膜最表面に積層した切削工具が開発されているが、いずれも硬質皮膜との密着性が悪く、皮膜そのものが非常に脆い上耐酸化性に乏しく、切削時に剥離または破壊、酸化摩滅などにより上記切削環境下においては十分対応できてはいない。
【０００５】
また、耐酸化性を改善する観点から特開平７−２３７０１０号公報や特開平１０−１３０６２０号公報に代表されるようにＴｉＡｌＮに第３成分を添加する事例があるものの、第３成分の添加によるだけでは十分に満足される耐酸化性の向上は実現されていないのが実状である。また特開平８−１１８１０６号公報にはＴｉＳｉＮの事例も提案されているが、単なるＴｉＳｉＮでは耐酸化性を改善するには至っていない。
【０００６】
更に、特開平１１−１３８０３８号公報にみられるように硬質皮膜内部にＳｉ_３Ｎ_４粒等を介在させる事例もみられるがＳｉ_３Ｎ_４粒界を介して酸化が進行するため十分な耐酸化性を付与するに至っていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした事情に鑑み、切削加工の乾式化、高速化に対応可能な、即ち、耐酸化性に優れるとともに被削材との溶着性が少ない硬質層を提案し、耐酸化及び耐溶着性を同時に実現し、高硬度鋼を乾式で高速切削出来うる耐摩耗皮膜被覆工具を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、硬質皮膜の耐摩耗性と様々な被削材と摩擦抵抗の低減に及ぼす影響および皮膜の層構造について詳細な検討を行った結果、耐溶着性を付与する（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）、但し、０．５≦ａ＜１．０、０．５≦ｘ≦１．０で示される化学組成からなるＡ層を被覆することにより耐溶着性を改善し、さらにその結晶形態を制御することにより、耐酸化性及び耐摩耗性を同時に付与された硬質皮膜被覆工具とする事により、高硬度鋼の乾式高速切削加工において切削工具の性能が極めて良好となることを見出し本発明に到達した。また、Ａ層は一般的なＴｉＡｌＮ系硬質皮膜等との組み合わせにより、より密着性の優れた被覆工具を実現するものである。また上記耐摩耗皮膜は、物理蒸着法により被覆されることが望ましい。
【０００９】
【作用】
はじめに、Ａ層に関して、その各構成の作用について詳しく述べる。（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）、但し、０．５≦ａ＜１．０、０．５≦ｘ≦１．０、で示される化学組成からなるＡｌとＳｉより構成される窒化物もしく窒硼化物は、大気中、室温における鋼との摩擦係数が従来のＴｉＡｌ窒化物皮膜の０．８に比べ０．５と低摩擦を示すが、特に高温下ではその数値がさらに０．３前後に激減する。これは高温下で皮膜内のＳｉが切粉との間の反応により皮膜表面に内部拡散し、皮膜表面で低融点のＳｉ酸化物を形成することに起因することが確認された。
【００１０】
この低融点のＳｉ酸化物により（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）皮膜は潤滑特性の優れた潤滑皮膜として機能し、溶着による切削抵抗の増大を抑制する作用を有するものであることが確認された。さらに硼素の添加により、硼素が皮膜内部でＢＮ相を形成し、このＢＮ相の有する潤滑性の作用により、より一層潤滑性が向上することが明らかとなった。
【００１１】
耐酸化性の向上に対し、本発明者らは鋭意検討した結果、（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）相の結晶形態が耐酸化性に大きく影響を及ぼし、結晶形態を制御することにより、一般的に耐酸化性が優れると言われる（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜より優れる耐酸化性を持たせることができるという驚くべき知見を得るに至った。（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）相は被覆時のイオンエネルギーにより結晶形態が異なり、イオンエネルギーが低い場合は全体的にアモルファスを呈し、その中にＳｉ_３Ｎ_４粒子が介在した形態となる。イオンエネルギーが高い場合は、全体的にアモルファス状に近い状態となり、ＡｌＮＢの中にＳｉとＮの結合が確認される状態となる。イオンエネルギーが中程度であり、かつ被覆温度が５５０℃以上の場合は、完全アモルファスのＡｌＳｉＢＮ相が微細に存在し、このＡｌＳｉＢＮ相のＳｉ含有量は、マトリックスとなる結晶質ＡｌＳｉＢＮ相のＳｉ量より富む形態となることが確認された。温度が低いとイオンエネルギーが高い場合と同様の結晶形態を呈することが確認された。温度、イオンエネルギーと結晶形態との相関理由は今後の物理学的研究が必要である。
【００１２】
中でも完全アモルファスＡｌＳｉＢＮ相が微細に存在する場合、結晶粒界が非常に整合した粒界となり、欠陥が少なく、酸素の粒界での拡散を著しく抑制し、非常に優れた耐酸化性を有することが確認された。また酸化時に最表面に緻密なＡｌの酸化物が形成されると同時にその直下に同じく緻密なＳｉの酸化物が形成され、皮膜内部への酸素の拡散を一層抑制する結果となった。同時に、微細に介在することにより、マトリックスを格子歪強化し、硬度が向上し結果耐摩耗性をも向上することになった。
【００１３】
被覆条件としては比較的イオンエネルギーが中程度となる、-１００Ｖ〜-１５０Ｖの印加バイアス、反応圧力は１Ｐａ〜５Ｐａ程度、被覆温度は５５０℃以上が好ましい範囲である。
【００１４】
本発明の硬質皮膜を構成するＡ層の金属元素の組成は、（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）において、ａの値が０．５≦ａ＜１．０という式を満足させることが必要である。ａの値が０．５未満の場合、Ｓｉ含有量が多くなりすぎて、皮膜そのものの靭性が劣化し、乾式高速切削において皮膜の内部破壊や破壊にともなう皮膜の剥離が顕著となり、十分な性能を発揮できない。
【００１５】
また、上記Ａ層に係る窒化物もしくは窒硼化物の場合、Ｎ_ｘＢ_１−ｘで０．５≦ｘ≦１．０を満足することが必要であり、ｘの値が０．５未満の場合は、皮膜の硬度が著しく上昇し、残留圧縮応力が増大し、皮膜の密着性が劣化するため十分な切削性能を示さない。
【００１６】
相対的にＳｉの少ないＡｌＳｉ（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）相のマトリックスとなる結晶質の粒径は、５００ｎｍを越えると格子歪の効果が少なく、皮膜の硬度向上寄与が低下するため、５００ｎｍ以下である方がより好ましい。Ａ層は、静的および動的条件下において優れた低摩擦、高耐酸化性を有すものの、ＨＲＣが６０を越えるような高硬度鋼の乾式高速切削加工には、単一皮膜では密着性が十分でなく剥離が発生する場合がある。そこで、優れた耐密着性並びに耐摩耗性を有した（ＴｉＡｌ）Ｎ層等と積層することが、このような高硬度鋼切削ではより好ましい結果となる。
【００１７】
ここで用いられる（ＴｉＡｌ）Ｎ層は場合によっては第３の金属成分を添加されたものでも同様の作用が期待されることは、言うまでもないことである。
【００１８】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、その被覆方法については、特に限定されるものではないが、被覆母材への熱影響、工具の疲労強度、皮膜の密着性等を考慮した場合、比較的低温で被覆でき、被覆した皮膜に圧縮応力が残留するアーク放電方式イオンプレーティング、もしくはスパッタリング等の被覆基体側にバイアス電圧を印加する物理蒸着法であることが望ましい。
【００１９】
【実施例】
以下本発明を実施例に基づいて説明する。アークイオンプレーティング装置を用い、金属成分の蒸発源である各種合金製ターゲット、ならびに反応ガスであるＮ_２ガスから目的の皮膜が得られるものを選択し、被覆基体温度６００℃、反応ガス圧力３．０Ｐａの条件下にて、被覆基体である外径１０ｍｍの超硬合金製２枚刃エンドミル、および超硬合金製インサートに−１３０Ｖの電位を印加し、全皮膜総厚みが１μｍとなるように成膜した。また硼素、Ｓｉは蒸発源であるターゲットに必要量添加した。試作した本発明例並びに比較例を表１に示す。尚多層の場合はＡ層の総厚０.５μ、他層の総厚１．５μとなるよう均等に被覆した。
【００２０】
【表１】

【００２１】
得られた硬質皮膜被覆エンドミルおよび硬質皮膜被覆インサートを用い切削試験を行った。工具寿命は刃先の欠けないしは摩耗等により工具が切削不能となった時の切削長とした。得られた結果を表１に併記する。
【００２２】
２枚刃超硬エンドミルの切削条件は、側面切削ダウンカット、被削材Ｓ５０Ｃ（硬さＨＢ２２０）、切り込みＡｄ１０ｍｍ×Ｒｄ１ｍｍ、切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０６ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、エアーブロー使用、とした。
【００２３】
インサート切削条件は、工具形状ＳＥＥ４２ＴＮ、巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍの面取り加工、被削材ＳＫＤ６１（硬さＨＲＣ４５）、切り込み２．０ｍｍ、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、送り０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、乾式切削とした。表１に試験結果を併記する。
【００２４】
耐酸化性はそれぞれ５μの皮膜を被覆し９００℃大気中で１時間保持した時に形成される酸化層の厚さで評価した。摩擦係数は６００℃においてＳＫＤ６１のボールを用い、一般的なボールオンディスク法により測定した。それらの測定した結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】

【００２６】
比較例１６、１７はＳｉもしくは硼素の量が多すぎる場合であり、静的評価数値は満足するものの密着性が十分ではなく工具寿命が短い結果である。比較例１３、１４、１５は、ＴｉＡｌＮ系皮膜に第３成分を添加した事例であり、耐酸化性は改善はされるものの、本発明例と比べれば改善効果が少ない。
【００２７】
これらに対し本発明例は、静的評価特性に優れると同時に、密着性にも優れ、溶着現象に起因した異常摩耗や皮膜の酸化摩耗、皮膜剥離が進行することもなく、総合して工具寿命が著しく向上する。従って、本発明は高硬度鋼の乾式高速切削加工に十分対応するものである。
【００２８】
【発明の効果】
以上の如く、本発明の硬質皮膜被覆工具は、従来の被覆工具に比べ特に優れた耐酸化性を有し、高密着性、低摩擦性を同時に有すことから、乾式高速切削加工において格段に長い工具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上に極めて有効であるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明例の（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）マトリックス内に介在する微細なアモルファス（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）のＴＥＭ像を示す。
【図２】 図２は、図１中のスポット１に対応する（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）の極微電子線回折像を示す。
【図３】 図３は、図１中のスポット２に対応する（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）マトリックス内に介在する微細なアモルファス（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）の極微電子線回折像を示す。

Claims (4)

1. 基体表面に硬質皮膜、（Ａｌ_ａＳｉ_１−ａ）（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）、但し、０．５≦ａ＜１、０．５≦ｘ≦１、で示される化学組成からなるＡ層を少なくとも１層被覆した耐摩耗皮膜被覆工具において、該Ａ層が相対的にＳｉに富むＡｌＳｉ（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）相と相対的にＳｉの少ないＡｌＳｉ（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）相とから構成されることを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。
2. 請求項１記載の耐摩耗皮膜被覆工具において、該相対的にＳｉに富むＡｌＳｉ（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）相がアモルファスであることを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。
3. 請求項１又は２記載の耐摩耗皮膜被覆工具において、該相対的にＳｉの少ないＡｌＳｉ（Ｎ_ｘＢ_１−ｘ）相のマトリックスの結晶粒径が５００ｎｍ以下であることを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の耐摩耗皮膜被覆工具において、該Ａ層とＴｉとＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、窒硼化物層が２層以上積層されたことを特徴とする耐摩耗皮膜被覆工具。

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